一种油气井爆炸射孔管柱力学实验装置及实验方法与流程

本发明涉及一种油气勘探开发技术领域，特别是关于一种油气井爆炸射孔管柱力学实验装置及实验方法。

背景技术：

射孔作业的目的在于使井筒与油气层之间形成通路，射孔技术的发展与完善对油气田的高效开采具有重要的现实意义和实用价值。

油管传输射孔是常用的一种射孔方式，但是射孔时，射孔弹的爆炸冲击波以及射孔载荷会使油管柱发生变形、封隔器损坏失效等井下事故，故对于射孔时管柱受力分析显得尤为重要。然而国内外的研究主要集中于动静力学的数值模拟，必要的实验手段和研究方法也不够完善，传统的模拟和测试方式难以全面的对管柱的动力学响应进行测试。

在爆炸冲击及高温高压环境下，射孔枪的本体材料性能与常态下的材料性能会发生变化，目前的动静力学的数值模拟无法有效的对现场作业进行指导，时常会发生油管柱变形导致的管柱遇卡、或者射孔枪腔体炸裂等事故。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种油气井爆炸射孔管柱力学实验装置及实验方法，其能实现对现场作业提前进行预判，指导施工作业以避免事故的发生。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种油气井爆炸射孔管柱力学实验装置，其特征在于：该装置包括高温高压发生器、高温高压容器、射孔管柱、电缆、信号放大器、a/d转换器和计算机；所述高温高压发生器经管道与所述高温高压容器连接；所述射孔管柱设置在所述高温高压容器内，且所述射孔管柱与所述电缆连接；所述电缆将所述射孔管柱测量信号传输到所述信号放大器，同时通过所述电缆引爆射孔枪；所述a/d转换器将所述信号放大器传输至的模拟信号转换成数字信号输入给所述计算机，所述计算机通过对采集到的信号进行处理，得出整个管柱在爆炸时的振动及受力情况。

所述高温高压发生器与所述高温高压容器之间的管道上设置有安全阀和泄压装置。

所述高温高压容器的内部装有压力传感器及温度传感器。

所述射孔管柱包括射孔枪、加速度测试短节a、减震器、加速度测试短节b、封隔器、油管和外部套管；所述射孔枪、加速度测试短节a、减震器、加速度测试短节b、封隔器以及油管均位于所述外部套管内部；所述射孔枪顶部依次设置有所述加速度测试短节a、减震器、加速度测试短节b和油管，位于所述油管与所述外部套管之间设置有所述封隔器。

所述加速度测试短节a和加速度测试短节b内部都固定有一个加速度传感器支架，该支架与所述加速度测试短节a或所述和加速度测试短节b之间采用螺钉进行连接，并在螺钉上涂抹有锁固胶；冲击加速度传感器a、冲击加速度传感器b和冲击加速度传感器c按照圆柱坐标系的方位布置在所述加速度传感器支架上。

所述冲击加速度传感器a与所述加速度测试短节a的回转轴重合，用于测试轴向加速度；所述冲击加速度传感器b沿径向布置，用于测试径向加速度；所述冲击加速度传感器c与所述冲击加速度传感器b垂直，沿切向布置，用于测试周向加速度。

所述外部套管上设置有压力传感器a和压力传感器b；两压力传感器均通过螺纹连接在所述外部套管的套管壁上，并涂抹螺纹锁固胶，所述两压力传感器的敏感元件朝向所述外部套管的内部；所述压力传感器a位于靠近所述射孔枪的一侧，位于所述封隔器下方；所述压力传感器b位于所述封隔器的上方。

一种采用上述装置的油气井爆炸射孔管柱力学实验方法，其特征在于包括以下步骤：s1：将射孔弹装入射孔枪中，并对弹型进行记录；s2：将三个冲击加速度传感器按照圆柱坐标系的方位固定在加速度传感器固定支架上；s3：将压力传感器分别布置在外部套管内部，并固定牢靠；s4：对射孔管柱进行连接，从下往上依次为：射孔枪、加速度测试短节a、减震器、加速度测试短节b、封隔器以及油管，并将外部套管套设在上述部件之外；s5：检查高温高压容器的顶部和侧壁的温度、压力测点；s6：将装配好的射孔管柱送入高温高压容器中，将从高温高压容器中引出的电缆与信号放大器连接；s7：将信号放大器、a/d转换器和计算机依次连接，测试和调节信号放大器，并对原始的信号进行处理，对干扰信号进行过滤，使整个实验系统处于待工作状态；s8：通过导爆索引爆射孔枪1上的射孔弹，压力传感器a和压力传感器b采集射孔管柱所受到的瞬时压力场；加速度测试短节a和加速度测试短节b内部的冲击加速度传感器实时采集轴向、径向和切向三个方向的加速度数据；所有的压力、加速度数据通过信号放大器进行放大，经过a/d转换器转换成数字信号，最后汇入计算机进行存储；s9：计算机根据采集的加速度数据计算出射孔作业时射孔管柱的速度变化曲线、位移变化曲线；同时，根据采集的压力数据计算出射孔作业时射孔管柱的压力变化曲线，通过对速度、加速度、位移以及压力的分析，结合射孔管柱的材料本构关系，分析出对射孔管柱的影响因素。

所述射孔枪的导爆索顺次穿过所述加速度测试短节a、减震器、加速度测试短节b、封隔器、油管、外部套管以及高温高压容器，最后与所述信号放大器连接。

所述加速度测试短节a上的各加速度传感器的数据线顺次穿过所述加速度测试短节b、封隔器、油管、外部套管以及高温高压容器，最后与所述信号放大器连接；所述加速度测试短节b上的各加速度传感器的数据线顺次穿过所述封隔器、油管、外部套管以及高温高压容器，最后与所述信号放大器连接；所述压力传感器的数据线顺次穿过所述外部套管以及高温高压容器，最后与所述信号放大器连接。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明真实模拟实际射孔作业工况，对因爆炸产生的振动冲击以及压力变化进行了实时监测，对测试管柱变形提供理论支持。2、本发明根据实验的结果可以对减震器以及测试联合作业时井下仪器的选取提供科学的依据，减少因爆炸产生的管柱变形及仪器失效。

附图说明

图1是本发明实验装置的整体结构示意图；

图2是本发明的套管射孔管柱结构示意图；

图3是本发明的加速度测试短节结构示意图；

图4是本发明压力传感器的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，本发明提供一种油气井爆炸射孔管柱力学实验装置，其包括高温高压发生器1、高温高压容器2、射孔管柱3、电缆4、信号放大器5、a/d转换器6和计算机7。高温高压发生器1经管道与高温高压容器2连接，并在高温高压发生器1与高温高压容器2之间的管道上设置有安全阀和泄压装置(图中未示出)。高温高压容器2的内部装有压力传感器及温度传感器(图中未显示)，形成对整个井底环境的真实模拟。射孔管柱3设置在高温高压容器2内，且射孔管柱3与电缆4连接。电缆4将射孔管柱3测量信号传输到信号放大器5，同时，在实验时，通过电缆4引爆射孔枪。a/d转换器6将信号放大器5传输至的模拟信号转换成数字信号输入给计算机7。在计算机7中，通过对采集到的信号进行处理，得出整个管柱在爆炸时的振动及受力情况。

在一个优选地实施例中，如图2所示，射孔管柱3根据试验对象进行组合，图中为套管射孔完井的部分射孔管柱。射孔管柱3包括射孔枪301、加速度测试短节a302、减震器303、加速度测试短节b304、封隔器305、油管306和外部套管307；射孔枪301、加速度测试短节a302、减震器303、加速度测试短节b304、封隔器305以及油管306均位于外部套管307内部。射孔枪301顶部依次设置有加速度测试短节a302、减震器303、加速度测试短节b304和油管306，位于油管306与外部套管307之间设置有封隔器305。本发明采用两个加速度测试短节可以方便布置传感器，布线简单。在油管306输送射孔与地层测试联合作业时，经查需要在射孔管柱3上连接压力计、时钟等井下仪器。而在连接有减震器303之后，射孔枪301爆炸的瞬间，减震器303的下部以及上部的振动及加速度情况的区别不是很清楚，因此在减震器303的上部和下部均安装有加速度测试短节。减震器303上部可能安装的一些井下仪器(压力计、时钟等)并未在该管柱中出现，只是对爆炸后的振动和加速度情况进行了实时监测。

在一个优选地实施例中，加速度测试短节a302与加速度测试短节b304结构相同，以加速度测试短节a302为例作进一步说明。如图3所示，加速度测试短节a302内部固定有一个加速度传感器支架401，该支架与加速度测试短节a302之间采用螺钉进行连接，并在螺钉上涂抹有锁固胶。冲击加速度传感器a402、冲击加速度传感器b403和冲击加速度传感器c405按照圆柱坐标系的方位(轴向、径向和切向)布置在加速度传感器支架401上。冲击加速度传感器具有刚度高、响应快、g值大的特点，广泛用于爆炸试验等场合。

上述实施例中，冲击加速度传感器a402与加速度测试短节a302的回转轴重合，用于测试轴向加速度(纵向振动)；冲击加速度传感器b403沿径向布置，用于测试径向加速度；冲击加速度传感器c405与冲击加速度传感器b403垂直，沿切向布置，用于测试周向加速度。用于连接三个冲击加速度传感器的三条电缆a404一起绑扎成一捆后作为电缆4。

在一个优选地实施例中，如图4所示，外部套管307上设置有压力传感器a406和压力传感器b407。两压力传感器均通过螺纹连接在外部套管307的套管壁上(并涂抹螺纹锁固胶)，压力传感器的敏感元件朝向外部套管307的内部，用于测量套管307内部的压力。压力传感器a406位于靠近射孔枪301的一侧，位于封隔器305下方；压力传感器b407位于封隔器305的上方。当射孔枪301爆炸时，可以测得封隔器305两侧的瞬时压力，进而分析爆炸的封隔器密封性能的影响。

采用上述实验装置进行爆炸射孔管柱力学的实验，本发明还提供一种油气井爆炸射孔管柱力学实验方法，该方法通过已知的油井的压力和温度梯度设置实验的温度和压力，对射孔管柱在高温高压下爆炸后产生的冲击进行测量，改变以往仅仅对常态下管柱的轴向振动(即纵向振动)的影响，综合判断不同弹型、射孔枪在不同压力和温度下对射孔管柱的影响。而且本发明试验方法也可用于裸眼射孔完井的管柱力学测量。

本发明的方法包括以下步骤：

s1：将射孔弹装入射孔枪301中，并对弹型进行记录；在高温高压环境下，火药的分解与常温常压相比会加快，可能会导致爆炸的能量不集中，从而导致射孔枪局部失效，对管柱产生新的振动源。

s2：将三个冲击加速度传感器按照圆柱坐标系的方位固定在加速度传感器固定支架上，务必固定牢靠。

s3：将压力传感器分别布置在外部套管内部，并固定牢靠。

s4：对射孔管柱3进行连接，从下往上依次为：射孔枪301、加速度测试短节a302、减震器303、加速度测试短节b304、封隔器305以及油管306，并将外部套管307套设在上述部件之外。

s5：检查高温高压容器2的顶部和侧壁的温度、压力测点，压力传感器能够准确记录试验容器在射孔瞬间压力变化，分析射孔瞬间的压力变化规律，绘制精确的压力-时间曲线步骤。

s6：步骤s5结束后，将装配好的射孔管柱3送入高温高压容器2中，将从高温高压容器2中引出的电缆与信号放大器5连接。

s7：将信号放大器5、a/d转换器6和计算机7依次连接，测试和调节信号放大器5，并对原始的信号进行处理，对干扰信号进行过滤，使整个实验系统处于待工作状态。

s8：通过导爆索引爆射孔枪301上的射孔弹，压力传感器a406和压力传感器b407采集射孔管柱所受到的瞬时压力场。加速度测试短节a302和加速度测试短节b304内部的冲击加速度传感器实时采集轴向、径向和切向三个方向的加速度数据。所有的压力、加速度数据通过信号放大器5进行放大，经过a/d转换器6转换成数字信号，最后汇入计算机7进行存储。

s9：计算机7根据采集的加速度数据计算出射孔作业时射孔管柱的速度变化曲线、位移变化曲线；同时，根据采集的压力数据计算出射孔作业时射孔管柱的压力变化曲线。通过对速度、加速度、位移以及压力的分析，结合射孔管柱的材料本构关系，分析出对射孔管柱的影响因素。通过减震器上部和下部的加速度的测量，为后续射孔管柱匹配时，减震器刚度的选择、在与地层测试联合作业时的井下仪器的选择提供指导。

上述实施例中，射孔枪301的导爆索顺次穿过加速度测试短节a302、减震器303、加速度测试短节b304、封隔器305、油管306、外部套管307以及高温高压容器2，最后与信号放大器5连接。

上述实施例中，加速度测试短节a302上的各加速度传感器的数据线顺次穿过加速度测试短节b304、封隔器305、油管306、外部套管307以及高温高压容器2，最后与信号放大器9连接；加速度测试短节b304上的各加速度传感器的数据线顺次穿过封隔器305、油管306、外部套管307以及高温高压容器2，最后与信号放大器9连接；压力传感器的数据线顺次穿过外部套管307以及高温高压容器2，最后与信号放大器9连接。

综上所述，本发明克服了传统的模拟和测试方式难以全面的对管柱的动力学响应进行测试，能够采集射孔时井下压力场的动态数据，包括射孔时的环空压力场和管柱的径向、轴向以及周向的加速度时域变化值。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。